Forskare vid Princeton Chemistry har upptäckt en biosyntetisk väg som införlivar selen i mikrobiella små molekyler, vilket markerar första gången sådana atomer har upptäckts i naturliga produkter och öppnar nya vägar inom selenobiologi.

Forskningen tyder också starkt på att selen, ett viktigt spårämne i alla livets riken, kan ha en viktigare biologisk roll i bakterier än vad forskare ursprungligen antog.

Laboratoriets papper, "Biosyntes av seleninnehållande små molekyler i olika mikroorganismer," skrevs av Chase Kayrouz, en fjärdeårs doktorand i labbet; postdoktorerna Jonathan Huang och Nicole Hauser; och Mohammad Seyedsayamdost, professor vid Institutionen för kemi.

"Det här var ett slags stängt fält. Ingen hade hittat en ny väg i selenmetabolismen på 20 år", sa Kayrouz. "Biosyntesen av selenoproteiner och selenonukleinsyror klargjordes på 80- och 90-talen. Och sedan dess har folk liksom antagit att det här är de enda sakerna mikrober gör med selen. Vi undrade helt enkelt om de kunde inkorporera selen i andra små molekyler? Det visar sig att de gör det."

Seyedsayamdost säger att deras "arbete visar att naturen verkligen har utvecklat vägar för att införliva detta element i små molekyler, sockerarter och sekundära metaboliter. Selen har anmärkningsvärda egenskaper som skiljer sig från de hos alla andra element som finns i biomolekyler. Inkorporering av selen i selenonein, till exempel gör det till en mycket bättre antioxidant än svavelversionen av molekylen. Men medan svavel är allestädes närvarande i biomolekyler, är förekomsten av selen mycket sällsyntare och ansågs vara begränsad till biopolymerer."

"Naturen har utvecklat specifika mekanismer för att införliva antingen svavel eller selen i naturliga produkter, och därigenom dra fördel av de unika egenskaperna hos båda elementen genom vägar som är specifika för var och en."

Letar efter selen

Laboratoriet startade sin undersökning under antagandet att selenatomer borde finnas i naturliga produkter på grund av deras användning allestädes närvarande. De frågade hur en sådan signatur skulle se ut i mikrobiella genom?

"Hur ser du egentligen var ett nytt läkemedel eller naturprodukt eller selenmetabolit finns, hur hittar du det?" sa Kayrouz. "Vi letar vanligtvis efter biosyntetiska genkluster – grupper av gener på kromosomen som kodar för biosyntesen av sådana molekyler. Så om vi har en väg att göra en seleninnehållande förening måste den kodas av gener."

De implementerade en genombrytningsstrategi för att leta efter gener som finns bredvid selD, som kodar för det första steget i alla kända selenprocesser inuti cellen.

Ganska snabbt hittade de en gen som var samlokaliserad med selD – kallad senB – som fångade deras uppmärksamhet, särskilt eftersom den inte tidigare har varit inblandad i selenmetabolism.

Ytterligare undersökning avslöjade en tredje samlokaliserad gen, kallad SenA. Kayrouz antog att dessa tre gener kan vara involverade i en ny biosyntesväg för selen.

"Först definierade vi hur ett biosyntetiskt genkluster som innehåller selen skulle se ut", säger Seyedsayamdost. "Vi använde sedan bioinformatik för att leta efter sådana gener och identifierade vad vi nu kallar "sen-klustret" i olika mikrobiella genom."

De kunde uttrycka var och en av dessa nya gener i Escherichia coli och samlade på så sätt hela vägen i ett provrör. Detta avslöjade produktion av två seleninnehållande små molekyler - en selenosocker och en molekyl som heter selenonein. Den avslöjade också två enzymer som bildar kol-selenbindningar, de första sådana enzymer som verkar på biologiska små molekyler.

"Mikroberna lägger selen i dessa föreningar av en anledning, så det måste finnas någon intressant bioaktivitet förknippad med dem", sa Kayrouz. "Vi vet inte vad det är än, men det är oerhört spännande. Som biologiska kemister är upptäckter som denna vad vi vaknar till varje dag."

Forskningen publicerades i Nature . + Utforska vidare

Kemister syntetiserar en antimikrobiell förening från ofarligt kitin och selen